JP2008122725A - Confocal microscope - Google Patents
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Description
本発明は、顕微鏡ユニットと、所定の走査周期で回転するニポウディスクを有する共焦点スキャナユニットから構成され、試料に照射される計測光の戻り蛍光を結像させた共焦点画像を、フレーム転送型CCD素子を備えるカメラにより撮像する共焦点顕微鏡に関するものである。 The present invention includes a confocal scanner unit having a microscope unit and a confocal scanner unit having a nipou disk that rotates at a predetermined scanning cycle, and forms a confocal image formed by imaging a return fluorescence of measurement light irradiated on a sample. The present invention relates to a confocal microscope for imaging with a camera including an element.
共焦点顕微鏡は、レーザ光(以下、計測光)による試料上の集光点を走査し、試料からの戻り蛍光を結像させて画像を得ることにより試料を観察するもので、生物やバイオテクノロジーなどの分野おける生きた細胞の生理反応観察や形態観察、あるいは半導体市場におけるLSIの表面観察等に使用されている。 A confocal microscope observes a sample by scanning a condensing point on the sample with a laser beam (hereinafter referred to as measurement light), imaging the return fluorescence from the sample, and obtaining an image. It is used for observation of physiological reactions and morphology of living cells in such fields as LSI surface observation in the semiconductor market.
図5は、従来の共焦点顕微鏡の構成例を示す機能ブロック図である。共焦点スキャナユニット1は、顕微鏡ユニット2のポートに接続されている。計測光Lは、共焦点スキャナユニット1のマイクロレンズアレイディスク11の形成されたマイクロレンズにより個別の励起光束L1に集光され、ダイクロイックミラー12を透過後、ピンホールディスク(以下、ニポウディスク)13の個々のピンホールを通過し、顕微鏡ユニット2の対物レンズ21により、ステージ3上の試料4に集光される。
FIG. 5 is a functional block diagram showing a configuration example of a conventional confocal microscope. The
この励起光束L1の照射により、試料4が蛍光する。試料4から出た戻り蛍光L2は、再び対物レンズ21を通り、ニポウディスク13の個々のピンホール上に集光される。個々のピンホールを通過した戻り蛍光は、ダイクロイックミラー12で反射され、リレーレンズ14を介してカメラ5が備えるCCD素子51の受光面に結像される。
By irradiating the excitation light beam L1, the sample 4 is fluorescent. The return fluorescence L2 emitted from the sample 4 passes through the
マイクロレンズアレイディスク11及びニポウディスク13は、同軸結合され、モータドライバ15により回転制御されるモータ16により所定の速度で回転操作される。この回転によるニポウディスク13上のピンホールの移動により試料4上への集光点を走査している。
The microlens array disk 11 and the
ニポウディスク13のピンホールが並んでいる表面と、試料4の被観察面と、CCD素子51の受光面とは互いに光学的に共役関係に配置されているので、CCD素子51には試料4の光学的断面像、即ち共焦点画像が結像される。ニポウディスク方式の共焦点顕微鏡の詳細に関しては、特許文献1に開示されている。
Since the surface where the pinholes of the Niipou
このような機能構成をとる共焦点顕微鏡では、ニポウディスクの回転ムラにより生ずる共焦点画像に含まれる縞模様のノイズ(バンディングノイズ)を除去するために、ニポウディスクの回転走査周期と、カメラの撮像周期を整合させる必要がある。 In the confocal microscope having such a functional configuration, in order to remove striped noise (banding noise) included in the confocal image caused by uneven rotation of the Niipou disc, the rotational scan cycle of the Niipou disc and the imaging cycle of the camera are set. Need to be consistent.
特許文献2に開示されている整合の手法を図5により説明する。ニポウディスク13の回転センサ17の検出信号を入力する操作トリガ生成回路6で生成されるニポウディスク13の走査トリガ信号が撮像トリガ供給部7に導かれる。
The matching method disclosed in
撮像トリガ供給部7は、走査トリガ信号とCCD素子51の垂直転送時間を考慮した撮像トリガ信号を生成して撮像制御部8に渡し、撮像制御部8は撮像トリガ信号に基づいて共焦点画像を取得するカメラ5の撮像周期を制御する。
The imaging trigger supply unit 7 generates an imaging trigger signal in consideration of the scanning trigger signal and the vertical transfer time of the
図6は、走査トリガ周期T1、垂直転送時間T2,読み出し時間T3、露光時間T4(=T1)、撮像トリガ周期T5の関係を示すタイムチャートである。この方式の特徴は、露光時間T4を走査トリガ周期T1と一致させると共に、撮像トリガ周期T5を、走査トリガ周期T1と垂直転送時間T2の和とした点にある。 FIG. 6 is a time chart showing the relationship between the scanning trigger cycle T1, the vertical transfer time T2, the readout time T3, the exposure time T4 (= T1), and the imaging trigger cycle T5. The feature of this method is that the exposure time T4 coincides with the scanning trigger period T1, and the imaging trigger period T5 is the sum of the scanning trigger period T1 and the vertical transfer time T2.
バンディングノイズを無くすには、カメラの撮像トリガとニポウディスクの走査トリガを完全に同期させる必要がある。しかしながら、特許文献2の開示された手法では、カメラの画像取込み周期を単純に、露光時間(=走査トリガ周期)とCCDの垂直転送時間の合計としたため、カメラの取込み周期とニポウディスクの走査周期に、垂直転送時間分のずれが生じ、両者は全く同期することができない。
In order to eliminate banding noise, it is necessary to completely synchronize the imaging trigger of the camera and the scanning trigger of the Niipou disk. However, in the method disclosed in
一方、一般的なCCDカメラには、取込みのタイミングを外部より受けるための撮像トリガ端子を持ち、外部トリガに同期して、露光や転送を行う機能を備えている。また、ニポウディスクは、外部からのパルス信号に同期して走査する機能を備えている。 On the other hand, a general CCD camera has an imaging trigger terminal for receiving the capture timing from the outside, and has a function of performing exposure and transfer in synchronization with the external trigger. The Nipkow disc has a function of scanning in synchronization with an external pulse signal.
特許文献2に開示された従来技術を一般的なCCDカメラに適用した場合、一つの同期信号源から、CCDの撮像タイミングとニポウディスクの走査を同期させようとすると、CCDの撮像タイミングが優先するため、逆にCCDの露光時間とニポウディスクの走査周期の間にCCDの垂直転送時間分だけずれ、露光のむら(照射光量のむら)が生じ、バンディングノイズが発生する。従って、従来技術の適用は特殊なカメラに限定される。
When the conventional technique disclosed in
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、任意のCCDカメラに適用でき、ニポウディスクの走査周期とカメラの画像取り込み周期を完全に同期させてバンディングノイズを除去することができる共焦点顕微鏡装置の実現を目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be applied to any CCD camera. Banding noise can be removed by completely synchronizing the scanning period of the Niipou disk and the image capturing period of the camera. The purpose is to realize a confocal microscope.
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
(1)顕微鏡ユニットと、所定の走査周期で回転するニポウディスクを有する共焦点スキャナユニットから構成され、試料に照射される計測光の戻り光を結像させた共焦点画像を、フレーム転送型CCD素子を備えるカメラにより撮像する共焦点顕微鏡において、
設定される前記CCD素子の露光時間(T1)に基づいて、この露光時間の整数(n≧1)分の1の周期(T2=T1/n)を持つ前記ニポウディスクの走査周期を生成するディスク走査周期生成手段を備えることを特徴とする共焦点顕微鏡。
In order to achieve such a subject, the present invention has the following configuration.
(1) A confocal image composed of a microscope unit and a confocal scanner unit having a Nipkow disk that rotates at a predetermined scanning cycle, and which forms an image of return light of measurement light irradiated on a sample, is converted into a frame transfer CCD element. In a confocal microscope that images with a camera equipped with
Based on the set exposure time (T1) of the CCD element, a disk scan that generates a scan period of the Nipkow disk having a period (T2 = T1 / n) that is an integer (n ≧ 1) of the exposure time. A confocal microscope comprising a period generation unit.
(2)前記ディスク走査周期生成手段より前記走査周期(T2)を取得し、前記CCD素子の垂直転送時間(T3)との差を演算した調整時間(T4=T1−T3)を生成するカメラ取り込み周期生成手段を備えたことを特徴とする(1)に記載の共焦点顕微鏡。 (2) Acquisition of a camera for acquiring the scanning period (T2) from the disk scanning period generation means and generating an adjustment time (T4 = T1-T3) obtained by calculating a difference from the vertical transfer time (T3) of the CCD element The confocal microscope according to (1), further comprising a period generation unit.
(3)前記カメラ取り込み周期生成手段は、前記露光時間(T1)と前記垂直転送時間(T3)と前記調整時間(T4)との和を演算したカメラ取り込み周期(T5=T1+T3+T4)を生成することを特徴とする(1)または(2)に記載の共焦点顕微鏡。 (3) The camera capture cycle generation means generates a camera capture cycle (T5 = T1 + T3 + T4) obtained by calculating a sum of the exposure time (T1), the vertical transfer time (T3), and the adjustment time (T4). The confocal microscope according to (1) or (2), wherein
(4)前記カメラ取り込み周期(T5)を取得し、この周期の逆数の周波数を持つカメラ撮像トリガ信号を前記カメラに渡す同期制御部を備えることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載の共焦点顕微鏡。 (4) Any one of (1) to (3), further comprising a synchronization control unit that acquires the camera capture period (T5) and passes a camera imaging trigger signal having a frequency that is the reciprocal of the period to the camera. A confocal microscope according to any one of the above.
(5)前記同期制御部は、前記カメラ撮像トリガ信号の周波数を(n+1)逓倍した周波数を持つディスクトリガ信号を前記ニポウディスクの回転を制御するモータドライバに渡すことを特徴とする(4)に記載の共焦点顕微鏡。 (5) The synchronization control unit passes a disk trigger signal having a frequency obtained by multiplying the frequency of the camera imaging trigger signal by (n + 1) to a motor driver that controls the rotation of the Niipou disk. Confocal microscope.
本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
(1)本発明では、CCD素子の垂直転送時間を考慮した調整時間を設けることにり、カメラの画像取込みのタイミングと、ニポウディスクの走査タイミングを完全に1つの周波数のトリガで同期させることができ、ニポウディスクの回転むらによるバンディングノイズを消すことができる。
According to the present invention, the following effects can be expected.
(1) In the present invention, by providing an adjustment time in consideration of the vertical transfer time of the CCD element, it is possible to completely synchronize the image capture timing of the camera and the scan timing of the Niipou disc with a single frequency trigger. Banding noise caused by uneven rotation of Niipou disc can be eliminated.
(2)一般的なCCDカメラが備える外部同期端子をそのまま利用できるため、カメラを選ばず、広く応用することができる。 (2) Since an external synchronization terminal provided in a general CCD camera can be used as it is, it can be widely applied regardless of the camera.
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図1は、本発明を適用した共焦点顕微鏡の一実施形態を示す機能ブロック図である。図5で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing an embodiment of a confocal microscope to which the present invention is applied. The same elements as those of the conventional configuration described with reference to FIG. Hereinafter, the characteristic part of the present invention will be described.
実際の生細胞観察の場合、適切な明るさの画像を取得するため、ユーザは最初にカメラの露光時間等の条件を設定する。 In the case of actual live cell observation, in order to obtain an image with appropriate brightness, the user first sets conditions such as the exposure time of the camera.
トリガ生成部100において、ディスク走査周期生成手段101は、ユーザにより設定されるCCD素子51の露光時間(T1)に基づいて、この露光時間の整数(n≧1)分の1の周期(T2=T1/n)を持つニポウディスクの走査周期を生成する。
In the
カメラ取り込み周期生成手段102は、ディスク走査周期生成手段101よりニポウディスクの走査周期(T2)を取得し、CCD素子51の垂直転送時間(T3)との差を演算した調整時間(T4=T1−T3)を生成する。 The camera capture cycle generation means 102 obtains the Nipo disk scanning cycle (T2) from the disk scanning cycle generation means 101, and calculates the difference from the vertical transfer time (T3) of the CCD element 51 (T4 = T1-T3). ) Is generated.
更に、カメラ取り込み周期生成手段102は、露光時間(T1)と垂直転送時間(T3)と調整時間(T4)との和を演算した周期(T5=T1+T3+T4)を有するカメラ取り込み周期を生成する。 Further, the camera capture cycle generation means 102 generates a camera capture cycle having a cycle (T5 = T1 + T3 + T4) obtained by calculating the sum of the exposure time (T1), the vertical transfer time (T3), and the adjustment time (T4).
同期制御部200は、トリガ生成部100よりカメラ取り込み周期(T5)を取得し、この周期T5の逆数の周波数を持つカメラ撮像トリガ信号f1を生成してカメラ5に渡す。
The
さらにこの同期制御部200は、トリガ生成部100より整数nを取得し、カメラ撮像トリガ信号の周波数f1を(n+1)逓倍した周波数f2を持つディスクトリガ信号を生成し、ニポウディスクの回転を制御するモータドライバ15に渡す。
Further, the
図2は、本発明が適用された共焦点顕微鏡の一実施形態の動作を説明するタイムチャートである。この実施形態では、整数nをn=1に選定した場合を示している。図2(A)は、(E)のカメラ撮像トリガ周期毎に同期して発生する、ユーザ設定の露光時間T1を示す。 FIG. 2 is a time chart for explaining the operation of an embodiment of a confocal microscope to which the present invention is applied. In this embodiment, the case where the integer n is selected as n = 1 is shown. FIG. 2A shows a user-set exposure time T1 that occurs in synchronism with each camera imaging trigger period of FIG.
図2(B)は、ディスク走査トリガ周期T2を示しており、n=1であるため、露光時間T1と一致している。図2(C)は露光時間T1の終了毎に発生するCCD素子の垂直転送時間T3を示している。 FIG. 2B shows the disk scanning trigger period T2, and since n = 1, it coincides with the exposure time T1. FIG. 2C shows a vertical transfer time T3 of the CCD element that occurs every time the exposure time T1 ends.
図2(D)は、垂直転送時間T3の終了毎に生成される調整時間T4であり、ディスク走査トリガ周期T2と垂直転送時間T3の差を計算して生成される。図2(E)は、カメラ撮像トリガ周期T5であり、露光時間T1と垂直転送時間T3と調整時間T4の和を計算して生成される。 FIG. 2D shows an adjustment time T4 generated every time the vertical transfer time T3 ends, and is generated by calculating the difference between the disk scanning trigger period T2 and the vertical transfer time T3. FIG. 2E shows a camera imaging trigger period T5, which is generated by calculating the sum of the exposure time T1, the vertical transfer time T3, and the adjustment time T4.
本発明では、ディスク走査トリガ周期T2を露光時間T1の整数分の1とすると共に、調整時間T4を設けることにより、カメラ撮像トリガ信号f1とディスク走査トリガ信号f2とを完全に同期させることが可能である。 In the present invention, it is possible to completely synchronize the camera imaging trigger signal f1 and the disk scanning trigger signal f2 by setting the disk scanning trigger period T2 to 1 / integer of the exposure time T1 and providing the adjustment time T4. It is.
ディスク走査トリガ信号f2の周波数は、カメラ撮像トリガ信号f1の周波数を(n+1)逓倍した周波数であり、この実施形態ではn=1のため、f2はf1を2逓倍した周波数となる。 The frequency of the disk scanning trigger signal f2 is a frequency obtained by multiplying the frequency of the camera imaging trigger signal f1 by (n + 1). In this embodiment, since n = 1, f2 is a frequency obtained by multiplying f1 by 2.
図3は、本発明が適用された共焦点顕微鏡の他の実施形態の動作を説明するタイムチャートである。この実施形態の特徴は整数nをn=3に選定した場合を示している。図2との差は、図3(B)のディスクトリガ走査周期T2が、露光時間T1の1/3となる点である。 FIG. 3 is a time chart for explaining the operation of another embodiment of the confocal microscope to which the present invention is applied. The feature of this embodiment shows a case where the integer n is selected as n = 3. The difference from FIG. 2 is that the disk trigger scanning period T2 in FIG. 3B is 1/3 of the exposure time T1.
この実施形態ではn=3のため、f2はf1を4逓倍した周波数となる。この実施形態では、ニポウディスクの走査周波数を上げ、回転を高速化して、1露光時間の間に、励起光が試料を3度スキャンするため、スキャンの平均化が図られ、ディスクの偏芯によるバンディングノイズを軽減することができる。 In this embodiment, since n = 3, f2 has a frequency obtained by multiplying f1 by four. In this embodiment, the scanning frequency of the Nipkow disk is increased, the rotation speed is increased, and the excitation light scans the sample three times during one exposure time, so that scanning is averaged and banding due to eccentricity of the disk Noise can be reduced.
図4は、本発明が適用された共焦点顕微鏡の他の実施形態の動作を説明するタイムチャートである。この実施形態例では、垂直転送時間T3がニポウディスクの走査トリガ周期T2を超える場合を示す。トリガタイミングは本質的に図3と同じである。 FIG. 4 is a time chart for explaining the operation of another embodiment of the confocal microscope to which the present invention is applied. In this embodiment, the case where the vertical transfer time T3 exceeds the scan trigger period T2 of the Niipou disc is shown. The trigger timing is essentially the same as in FIG.
1 共焦点スキャナユニット
11 マイクロレンズアレイディスク
12 ダイクロイックミラー
13 ニポウディスク
14 リレーレンズ
15 モータドライバ
16 モータ
2 顕微鏡ユニット
21 対物レンズ
3 ステージ
4 試料
5 カメラ
51 CCD素子
100 トリガ生成部
101 ディスク走査周期生成手段
102 カメラ取り込み周期生成手段
200 同期制御部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
設定される前記CCD素子の露光時間(T1)に基づいて、この露光時間の整数(n≧1)分の1の周期(T2=T1/n)を持つ前記ニポウディスクの走査周期を生成するディスク走査周期生成手段を備えることを特徴とする共焦点顕微鏡。 A camera comprising a microscope unit and a confocal scanner unit having a Nipkow disk that rotates at a predetermined scanning period, and a confocal image obtained by forming an image of the return light of the measurement light irradiated on the sample, a frame transfer CCD element In the confocal microscope for imaging by
Based on the set exposure time (T1) of the CCD element, a disk scan that generates a scan period of the Nipkow disk having a period (T2 = T1 / n) that is an integer (n ≧ 1) of the exposure time. A confocal microscope comprising a period generation unit.
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